96. Unique Binary Search Trees

 

Given  n , how many structurally unique BST’s (binary search trees) that store values 1 …  n?

Example:

Input: 3
Output: 5
Explanation:
Given _n_ = 3, there are a total of 5 unique BST's:

   1         3     3      2      1
    \       /     /      / \      \
     3     2     1      1   3      2
    /     /       \                 \
   2     1         2                 3

 

这道题实际上是 卡塔兰数 Catalan Numbe 的一个例子,如果对卡塔兰数不熟悉的童鞋可能真不太好做。话说其实我也是今天才知道的好嘛 -.-|||,为啥我以前都不知道捏?!为啥卡塔兰数不像斐波那契数那样人尽皆知呢,是我太孤陋寡闻么?!不过今天知道也不晚,不断的学习新的东西,这才是刷题的意义所在嘛! 好了,废话不多说了,赶紧回到题目上来吧。我们先来看当 n = 1 的情况,只能形成唯一的一棵二叉搜索树,n分别为 1,2,3 的情况如下所示:

 

                    1                        n = 1

                2        1                   n = 2
               /          \
              1            2
  
   1         3     3      2      1           n = 3
    \       /     /      / \      \
     3     2     1      1   3      2
    /     /       \                 \
   2     1         2                 3

 

就跟斐波那契数列一样,我们把 n = 0 时赋为1,因为空树也算一种二叉搜索树,那么 n = 1 时的情况可以看做是其左子树个数乘以右子树的个数,左右子树都是空树,所以1乘1还是1。那么 n = 2 时,由于1和2都可以为根,分别算出来,再把它们加起来即可。n = 2 的情况可由下面式子算出(这里的 dp[i] 表示当有i个数字能组成的 BST 的个数):

dp[2] =  dp[0] * dp[1]   (1为根的情况,则左子树一定不存在,右子树可以有一个数字)

    + dp[1] * dp[0]    (2为根的情况,则左子树可以有一个数字,右子树一定不存在)

同理可写出 n = 3 的计算方法:

dp[3] =  dp[0] * dp[2]   (1为根的情况,则左子树一定不存在,右子树可以有两个数字)

    + dp[1] * dp[1]    (2为根的情况,则左右子树都可以各有一个数字)

      + dp[2] * dp[0]    (3为根的情况,则左子树可以有两个数字,右子树一定不存在)

由此可以得出卡塔兰数列的递推式为:

C_0 = 1 \\quad \\mbox{and} \\quad C_{n+1}=\\sum_{i=0}^{n}C_i\\,C_{n-i}\\quad\\mbox{for }n\\ge 0.

我们根据以上的分析,可以写出代码如下:

 

解法一:

class Solution {
public:
    int numTrees(int n) {
        vector<int> dp(n + 1);
        dp[0] = dp[1] = 1;
        for (int i = 2; i <= n; ++i) {
            for (int j = 0; j < i; ++j) {
                dp[i] += dp[j] * dp[i - j - 1];
            }
        }
        return dp[n];
    }
};

 

由卡特兰数的递推式还可以推导出其通项公式,即 C(2n,n)/(n+1),表示在 2n 个数字中任取n个数的方法再除以 n+1,只要你还没有忘记高中的排列组合的知识,就不难写出下面的代码,注意在相乘的时候为了防止整型数溢出,要将结果 res 定义为长整型,参见代码如下:

 

解法二:

class Solution {
public:
    int numTrees(int n) {
        long res = 1;
        for (int i = n + 1; i <= 2 * n; ++i) {
            res = res * i / (i - n);
        }
        return res / (n + 1);
    }
};

 

类似题目:

Unique Binary Search Trees II

Different Ways to Add Parentheses

 

参考资料:

https://leetcode.com/problems/unique-binary-search-trees/

https://leetcode.com/problems/unique-binary-search-trees/discuss/31666/DP-Solution-in-6-lines-with-explanation.-F(i-n)-G(i-1)-*-G(n-i)

https://leetcode.com/problems/unique-binary-search-trees/discuss/31671/A-very-simple-and-straight-ans-based-on-MathCatalan-Number-O(N)-timesO(1)space

 

LeetCode All in One 题目讲解汇总(持续更新中…)


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